簡述自由水對大陸地殼演化的作用

雷凱

摘 要：地球上存在的自由水與大陸地殼的生長演化具有直接關聯。本文結合大量文獻簡述了自由水對大陸地殼演化的作用。大陸地殼并不是“干”的，自由水的加入可以降低地殼巖石的熔融溫度，加快熔融反應的速率，因此更容易引發地殼的深熔作用，進而加速大陸地殼的演化。在滲透率好的巖石中，自由水沿著應力造成的裂縫運移;在滲透率差的巖石中，自由水可在運輸-反應造成的孔隙通道中運移。通過初始熔體的巖相學、地球化學、物理特性等標志，人們可以識別在地殼深熔作用中是否有自由水的參與。

關鍵詞：自由水;大陸地殼;巖相學;地球化學

中圖分類號：P591文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0155-04

Abstract： The existence of free-water of earth is directly related to the growth and evolution of continental crust. This paper combined a large number of papers to briefly describe the effect of free-water on the evolution of continental crust. The continental crust is not "dry"， the injection of free-water can reduce the melting temperature of crustal rocks and increase the rate of melting reaction， so it is more likely to induce the anatexis of the crust and then promote the evolution of the continental crust. In the rock with high permeability， free-water can be migrated through the fractures caused by stress; in the rock with low permeability， free-water can be migrated through the reaction-induced pores. People can recognize whether there is free-water in the anatexis or not by the petrographic， geochemical and physical characteristics of the primary melts.

Keywords：? free-water;continental crust;petrography;geochemistry

地球的地殼包括下層的鎂鐵質地殼及上層的長英質地殼。其中，長英質地殼是大陸地殼的主要成分。長英質大陸地殼的大量存在，使得地球區別于月球及其他類地行星，成為太陽系內獨一無二的星球。地球與太陽系其他行星相比，除具有大陸地殼之外，還含有大量的水。這絕非巧合，因為水在大陸地殼的生長演化過程中扮演了重要角色。早在20世紀80年代，就有學者提出“沒有水，就沒有巖石;沒有海洋，就沒有大陸”（No water，no granites - No oceans，no continents）的觀點[1]。因此，研究水對于大陸地殼形成演化機制的作用是理解地球如何演化成為一個宜居性星球的關鍵。本文在調研大量文獻的基礎上，簡述水對大陸地殼演化的作用，旨在為大陸地殼的形成和演化這一重大科學問題提供借鑒資料。

1 大陸地殼中的自由水

自由水對于地球巖石圈來說至關重要，巖石地球化學成分的演化實質上就是礦物與流體之間的相互作用。同時，巖石物理性質的改變也與自由水的作用密不可分[2-3]。實際上，地殼的大部分巖石都處于亞穩態狀態中[2]。作為中下地殼主要組成部分的角閃巖相和麻粒巖相的實際賦存溫度，其上限不應高于莫霍面的溫度。但即使是莫霍面的溫度，也普遍低于角閃巖相和麻粒巖相的理論存在溫度，如圖1所示。之所以能保存亞穩態，是因為它們的反應速度過慢，一旦有流體進入，相變將會快速發生。之前一些學者認為，正因為地殼處于亞穩態才證明地殼是“干”的[4]。但是，目前有很多實例證明自由水無論在純固相變質或是由固相到液相轉變的熔融過程中都扮演著不可忽視的角色[5-6]。這些實例說明自由水在地殼中非常活躍，其來源廣泛，能在地殼中自由運移。自由水可能來源于高壓變質過程中的脫水作用，如巖石網狀裂隙中水的聚集以及熔體遷移過程中流體的循環和結晶作用出溶的水[7]。

深熔作用是地殼分異演化的最主要過程。在地殼巖石熔融過程中，即使存在非常少量的水，也會對熔融溫度、熔體的物理化學性質等產生不可忽視的影響。有兩種熔融方式會生成水，分別為有自由水參與的熔融與脫水熔融[3]。這兩種熔融方式的區別在于水的參與方式，脫水熔融的水來自含水礦物的破裂，而自由水的水來自外界的自由水，即對于整個體系來說，水一直是飽和的。對于脫水熔融來說，其驅動力更加強調增溫或者減壓;相應地，自由水的參與更加強調自由水的作用。實驗巖石學的研究證明水可以大大降低熔融的溫度[3]，同時可以加快熔融的速率[8-9]。因此，自由水的加入使深熔作用更容易實現，這加速了大陸地殼的演化。

2 大陸地殼中自由水的運移

大陸地殼一度被認為是“干”的，因為大陸地殼相對致密，沒有自由水運移和儲存的空間[4]。但近年來研究表明水在大陸地殼中可以充分運移[5]。大陸地殼的巖石可以依據滲透率分為兩種，一種為滲透率比較好的巖石，一種為滲透率低（<10-17m2）的巖石[10]。在兩種巖石中，通道的建立方式并不一致。

滲透率好的巖石主要的流體運移通道源自裂縫，流體運移的方式主要為滲透。裂縫基本上依靠外部的構造應力形成，一旦外部應力場超過了巖石所能承受的極限，巖石就會發生不可逆變形，產生破裂。其中，地震就是產生外部應力的主要因素[11]。Maggi等[12]發現在全球大陸地殼范圍內，巖石的有效彈性厚度均小于地震發育厚度。前者代表巖石所能保持有效彈性強度極限的深度，后者表示地震發育的深度。換言之，地震帶來的能量要超過巖石承受的極限，所以會導致巖石的變形，尤其是脆性的上地殼巖石，直接產生供流體運移的斷裂。

在滲透率低的巖石中，流體不可能再通過滲透的方式進行運移，而是改為擴散[2]。在滲透率高的巖石中，可能機械作用產生的孔隙或裂縫占據主導位置。但是，在滲透率低的巖石中，復雜的孔隙網絡可以在運輸-反應的過程中出現。最典型的現象就是假晶置換。Plümper等[5]以挪威拉爾維克巖基（Larvik batholith，Norway）為例，研究了不同端元長石假晶替換的過程，在這個過程中沒有外部構造應力的作用，整個置換作用是在納米級的孔隙作用下完成的（見圖2）。Engvik等[13]也發現了類似的情況。長石作為大陸地殼中豐度最大的礦物，其對自由水的容納能力進一步證明水對大陸演化的重要作用。此外，差異應力的存在會使礦物產生韌性變形或微裂縫，這同樣為自由水的運移提供了通道。對于滲透率高的巖石來說，毫無疑問，流體壓力是整個流體運移的第一驅動力。但是對于滲透率低的巖石來說，需要考慮多種因素的影響，包括流體壓力差、離子濃度差以及電場差等。

3 識別大陸地殼演化過程中自由水存在的方法

自由水對大陸地殼演化的作用，最主要體現在對地殼深熔作用的影響上。判斷地殼熔融過程中是否有自由含水流體參與，存在諸多標準，但無一例外都是以熔體作為研究對象，包括巖相學，熔體地球化學特征以及熔體溫度、含水量、生成速率和黏滯度等物理性質[3]。如前文所述，地殼的熔融方式包括有自由水參與的熔融和脫水熔融兩種，因此對這兩種熔融方式的識別非常關鍵。

巖相學上，不同熔融方式生成的淺色體與轉熔礦物存在差異，可以作為區分它們的重要標志，如圖3所示。已有學者對此做了詳細論述[3]，具體概括如下：含水體系熔融形成的淺色體較規整，而脫水熔融形成的淺色體較鋒利，可能出現楔形等形狀;含水體系熔融的淺色體無明顯邊界，而脫水熔融的淺色體則常具暗色邊界;在低溫下，有自由含水流體參與的熔融是一致熔融，其淺色體中不會出現轉熔礦物，而脫水熔融一定會出現轉熔礦物;在高溫下，如果轉熔礦物為角閃石，通常情況下代表了自由含水流體的存在;轉熔的鉀長石一般只能通過富鉀火成巖在脫水熔融過程中形成。

在地球化學特征上，已有的研究表明，含水熔融的熔體在標準礦物中富含Ab和An，相對貧Or，具有更高的鋁飽和指數（[ASI]）以及相對高的Fe含量[14]。斜長石和白云母分別是Sr和Rb的主要寄主礦物，且斜長石中Ba會以類質同象的方式替換Ca。含水體系熔融消耗更多的長石[14-16]，因此其熔體具有較高的Sr、Ba含量以及相對低的Rb/Sr和87Sr/86Sr初始比值，如圖4所示。主要造巖礦物長石和云母的差異熔融，以及由此導致的熔體Rb-Sr特征差異是目前識別是否有自由水的參與的最典型標志[3]。Gao等[6]通過對高喜馬拉雅Gyirong地區淡色花崗巖的研究，表明高場強元素（HFSE）和稀土元素（REE）也可以作為識別標志。在云母中，Nb的分配系數大于Ta的分配系數[17]，所以消耗更多云母的脫水熔融形成的熔體，Nb/Ta值以及Nb含量應該相對較大。此外，Gao等[6]指出，鋯石、獨居石等副礦物在含水體系熔融中更容易溶解，相應的熔體會具有更高的Zr/Hf比、Th/U比以及高的∑LREE值和Nd正異常。

在熔體物理性質上，因為自由水的參與可以拉低巖石固相線，因此其具有較低的熔融溫度。現有研究通常會使用地質溫度計去估計熔體形成的溫度，以此來判斷是哪種熔融過程[18]。不同熔融過程中形成的初始熔體的含水量也具有較大差異。脫水熔融中熔體的水含量由含水礦物的消耗量以及熔體形成的P-T條件確定[19]。而在含水體系下，熔體中的水含量下限為維持熔體生成的量，上限則受熔體中水的溶解度控制[20]。根據實驗巖石學的研究[21]，含水體系在增壓過程中熔體中的最小含水量和最大含水量都會上升，在增溫過程中，最小含水量會變小，而最大含水量基本不變。在含水體系下，熔體的生成速度快，體積大量增加[3]。隨著含水量的增加，熔體的黏滯度會顯著下降。黏滯度下降最快的時候是在低水含量的情況下。例如，當水由0 wt.%升到2 wt.%時，黏滯度會下降好幾個數量級。但是水含量增加時，只會有少量的下降[22]。而對于脫水反應來說，熔體的含水量與溫度是相互依存的，溫度的上升會降低熔體的含水量，這兩者均會作用于黏滯度，存在著相互抵消[3]。

4 結語

大陸地殼的生長演化是地球演化中一個非常關鍵的科學問題，本文文簡單綜述了大陸地殼中自由水的運移方式、識別標志以及對大陸地殼演化的影響，證明了自由水在大陸地殼演化中扮演了不可忽視的作用。目前仍有一些科學問題值得繼續研究，例如，自由水來是從哪里來的，這需要結合同位素地球化學及數值模擬進行更深入的研究。

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